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中压气包设计计算
汽包是汇集水和饱和蒸汽的圆筒形受压容器，有一定的水容积，可是废热锅炉运行稳定、并保证废热锅炉水循环顺利进行；具有一定的蒸汽容积，将汽水分离，并从蒸汽中分离出汽水携带的各种有害介质，以获得品质合格的蒸汽。汽包外部需安装蒸汽引出管、阀门、水位计，压力表、温度计及其安全装置等。内部则应设置汽水分离装置、给水、加药、排污及取样等设施。
一般管壳式废热锅炉的汽包是独立装置，通过上升管和下降管与废热锅炉连为一体，对于管壳式废热锅炉设置在壳体上方；对于烟道式废热锅炉则与蒸发管直接相连。汽包内的分离元件是根据锅炉参数、给水条件、对蒸汽品质的要求和汽包的结构特点确定的，有一次和二次分离元件两种。一次分离元件是为消除进入汽包汽水混合物的功能，并对汽水进行初步分离，同时要保持水位平稳、阻止汽包内因含汽过多而影响水循环的安全；二次分离元件的作用是将蒸汽中携带的细小水滴分离出来。并均匀的将蒸汽引出。现已使用的一次分离元件有旋风分离器、弹回挡板、立式节流板和水下孔板；二次分离元件有百叶窗分离器，均汽板和钢丝网等。
一、当前对于汽包内径的确定有如下观点：
1、 汽包内径取决于事故状态下（入口锅炉给水中断），汽包内给水假设从正常液位开始蒸发，则蒸干需7.5min，这个时间是由自控高、低液位报警及联锁要求决定。（参考东洋设计）
对于自控要求来说有下图所示关系关系：

2、 同时，汽包内径需满足锅炉负荷的要求。
由蒸汽空间负荷来确定锅炉直径：
在蒸汽压力、锅筒结构及尺寸和炉水含盐量一定的条件下，由试验方法获得的蒸汽湿度与锅炉负荷的关系如下图所示：

III 0.25 0.20 0.15 II
0.10 I 0 D1 D2
图10-2 蒸汽湿度与锅炉负荷的关系

随锅炉负荷的增加，汽水混合物穿出水面或撞击水面造成的炉水飞溅量增大，蒸汽空间的汽速也增大，因此蒸汽带水能力增强。另外，由于锅筒水空间汽泡的增多、水位膨胀，使得实际蒸汽空间高度减小而不利于汽水自然分离。因此，随锅炉负荷的增加，蒸汽湿度增大。由图还可以看出，随着锅炉负荷的增加，存在着三个区域，即当D＜D1时，蒸汽带水较少，并且随着锅炉负荷的增加，蒸汽湿度增加较慢，为第I负荷区（ω≤0.03％）；当D1＜D＜D2时，蒸汽湿度增加较快，为第II负荷区（0.03％＜ω≤0.2％＝；当D＞D2后，蒸汽湿度急剧增加，为第III负荷区（ω＞0.2％）。
为了应用上的方便，常用下列参数来表示锅筒的蒸汽负荷。
1） 蒸发面负荷 通过锅筒水面单位面积的蒸汽流量称为蒸发面负荷。当蒸汽流量用体积流量时，称为蒸发面体积负荷；用RA，（m3/m2·h）表示；当蒸汽流量用质量流量时，称为蒸发面质量负荷，用R`A，kg/(m2·/h)表示。
2） 蒸汽空间负荷 通过蒸汽空间单位容积的蒸汽体积流量，称为蒸汽空间体积负荷，用Rr，m3/m3·h表示。
即
式中v”……蒸汽比容，m3/kg
V……蒸汽空间体积，m3。
不同锅筒压力下，蒸汽与蒸汽空间容积负荷的关系可于《实用锅炉设计手册》 P-490图10－3中查得。对于工业锅炉有推荐值如下表所示。

表10－6 工业锅炉蒸汽空间体积负荷Rv的推荐值
锅筒压力
Pgt/Mpa
蒸汽空间体积负荷
Rv/(m3/m3h)
0.4
630～1310
0.7
610～1280
1.0
610～1250
1.3
580～1200
1.6
570～1150
2.5
540～1080
4.0
510～1050

3、 汽包中存有一定数量的饱和水，因而具有一定的蓄热能力。当工况发生变化时，可以减缓汽压变化的速度。蓄水量越大，越有利于负荷发生变化时的运行调节。

二、汽包内径计算
以V-301为例
1、 由自控要求
事故发生时，汽包内蒸干时间按7.5min
设汽包长径比为3：1
正常液位处于汽包全容积的1/3容积位置，如右图
全容积1/3部分
则汽包内径计算如下：
容积
式中 qm为蒸汽质量流量 kg/h
t为蒸发时间 min
ρL为入口锅炉给水密度kg/m3。
则
2、由锅炉负荷要求
对于工业锅炉蒸汽空间体积负荷Rv，在4.0Mpa(A)操作压力下。推荐值为510～1050 m3/m3·h，以其最小值Rv ＝510 m3/m3·h，计算，
根据

则
假设汽包蒸汽空间体积为汽包全容积的40%(汽包内件占10%)
汽包内径
由锅炉负荷要求计算需考虑一定的安全储备，上式中考虑了20％的余量。
结合上述两个要求并经圆整，该汽包可为φ2600×7800。
按照同样方法我们对东洋的一气包进行了核算，计算结果如下表：
工艺条件
焦化（EOR）
东洋
方法一
方法二
方法一
方法二
蒸汽质量流量 kg/h
1.2×64988
1.2×64988
64285
64285
蒸汽空间体积负荷 m3/m3·h

510

510
蒸汽密度kg/m3

16.505

15
蒸干时间t分钟
7.5

7.5

锅炉给水进口压力 barA
34

28

RouL锅炉给水密度 kg/m3
828.578

828.578

长径比
3
3
3
3
结果直径 m
2.465
2.571
2.311
2.488
圆整后
φ2600×7800
φ2400×7000
φ2500×7500

小结，实际计算中我们需同时考虑汽包气相（蒸汽空间体积负荷）及液相（液位高度）的要求，两者相结合，选择同时满足两者要求的汽包直径值。

三、汽包内件
1、 一次分离元件
其作用是消除汽水混合物进入汽包时带有的动能并将蒸汽和水初步分离，进入汽包的汽水混合物的干度一般小于10%，一次分离元件出口的蒸汽湿度应降低到0.5%～1.0%。常用的一次分离元件有旋风分离器、挡板（包括进口挡板、缝隙挡板）、水下挡板、和金属丝网。以下是挡板相关计算。
1）缝隙挡板
缝隙挡板将汽包空间分为两部分，汽水混合物自引入管引出经缝隙挡板进入蒸汽空间时受到两次转弯而产生惯性分离。适用范围为：低压和中压，用于高压时如水位波动易影响蒸汽品质；汽水混合物入口速度ω2 ＝2～3m；汽水混合物引入管靠近汽包正常水位线上、下30°，沿汽包长度均匀引进。
设计时要保证缝隙挡板间通流速度ω4 及下部排水速度ω5 在允许的范围内，否则缝隙出口蒸汽可能冲起汽包水，造成水滴飞溅。推荐的ω4 值见下表。
表10-20 缝隙挡板间蒸汽通流速度ω4的推荐值
压力 Mpa
ω4 m/s
0.49
25～3.7
0.785
2～3
1.079
1.7～2.6
1.37
1.5～2.3
1.67
1.4～2.1
2.55
1.1～1.7
4.41
0.9～1.35
7.85
0.65～0.95
10.89
0.46～0.7
排水速度ω5 在低压时应保持0.5～1.0m/s，中压时＜0.2m/s，高压时＜0.15m/s，以免排水带汽引起水位膨胀。
2）进口挡板
进口挡板用3～5mm的钢板制成，安装在汽水混合物引入管的进口处。其作用是消除汽水混合物进入时的动能，并借助工质的转弯对汽水进行惯性分离。进口挡板适用于汽水混合物进口速度w2 较低的情况(中压时w2 ＜3m/s；高压时
w2 ＜2.5m/s,＝) 否则会使汽水混合物中的水滴碰得太细而造成蒸汽二次带水。

2、 二次分离元件
二次分离元件也称细分离元件，利用离心式、膜式及节流作用的原理将蒸汽中携带的细小水滴分离出来。
均汽板是装设在汽包顶部的具有一定宽度和长度的多孔板。它利用多孔板的节流作用使蒸汽沿汽包的长度和宽度方向都均匀分布，防止蒸汽负荷局部集中，从而能有效的利用汽包的汽空间、降低蒸汽的上升速度，有利于进行重力分离。均汽板还可以阻挡一些小水滴，因而具有一定的细分离的作用。均汽板的总长度应不小于汽包直段长度的三分之二，以增加蒸汽空间的利用程度。
设计均汽板时需控制蒸汽穿孔速度、均汽板上部通道中蒸汽的纵向速度、均汽板前蒸汽上升速度及均汽板的阻力等指标。
均汽板前蒸汽上升速度太高会影响重力分离。蒸汽穿孔速度过高则阻力太大，过低则不能起到均匀蒸汽负荷的作用。均汽板孔中气速和板前气速的推荐值如下表：
锅筒绝对压力/Mpa
0.49
0.78
1.08
1.37
1.67
2.55
4.41
7.84
10.89
15.3
孔中气速推荐值/(m/s)
25
20
17
15
13.5
11
8
6.5
6
4
孔中气速最大值/(m/s)
30
23.5
20
18
16.5
13.5
10
8.5
8
6
板前气速/(m/s)
1.5～
1.8
1.2～
1.4
1～
1.2
0.9～
1.1
0.8～
1
0.65～
0.95
0.5～
1.8
1.5～
1.8
1.5～
1.8
1.5～
1.8

为了防止饱和蒸汽引出管管口附近局部抽出大量蒸汽，而破坏均汽板的正常工作，饱和蒸汽引出管入口速度ω0≤0.7*孔中气速ω1

3、汽包内件计算结果
工艺条件
天脊合成氨

上升管总流量kg/h
6048

上升管气相流量 m3/h
110

上升管液相流量 m3/h
6

上升管气相密度kg/m3
19.52

上升管液相密度 kg/m3
801

汽包内径 m
900

汽包长度 mm
1800

汽包入口管根数
2

汽包入口管口直径mm
65

汽水混合物入口速度ω2 m/s
0.25113206

缝隙宽度mm
50

缝隙长度mm
1400

缝隙挡板间蒸汽通流速度m/s
0.436507937

均汽板设计长度mm
1400

丝网除沫器长度mm
1400

饱和蒸汽引出管流量kg/h
1200

饱和蒸汽引出管蒸汽密度kg/m3
20

丝网除沫器宽度mm
380

通过丝网的实际气速m/s
0.057435255

下部排水长mm
1400

下部排水宽mm
74

下部排水速度m/s
0.016087516

均汽板孔径mm
5

均汽板小孔面积m2
1.9635E-05

均汽板小孔总面积
0.003436117

均汽板孔速m/s
8.892466662

均汽板横向孔数
25

均汽板纵向孔数
7

均汽板小孔数量
175

均汽板孔间距mm（横向）
54

均汽板孔间距mm（纵向）
47

按孔间距核算均汽板长度（横向）
1404

按孔间距核算均汽板长度（纵向）
376

饱和蒸汽引出管根数
1

饱和蒸汽引出管管径mm
50

饱和蒸汽引出管出口速度m/s
8.488263632

工艺条件
天脊合成氨
方法一
方法二
蒸汽质量流量 kg/h
1200
1200
蒸汽空间体积负荷 m3/m3·h

530
蒸汽密度kg/m3

15
蒸干时间t分钟
7.5

锅炉给水进口压力 barA
40

rouL锅炉给水密度 kg/m3
828.578

长径比
2
2
结果直径 m
0.701864182
0.745978
结果长度 m
1.403728363
1.4919559
圆整后
φ900×1800
φ900×1800

经计算，按目前尺寸设计的汽包内件可以满足工艺要求。
4、 计算步骤
以焦化120%负荷为例；
ω2 ＝
通过丝网的实际气速4748.4/3600/4.505=0.293m/s

ω5 ＝
四、总结
1) 汽包直径取决于液位高度以及蒸汽空间负荷。
2) 汽包内件设计，取决于循环汽水混合物。但在汽包开始内件设计之前需先确定汽包直径。
3) 本文在计算汽包时考虑了20%的余量，但不同工况下汽包的余量应取多少需根据实际情况加以考虑。
4) 计算相同类型的汽包时需特别注意正常液位所处的位置。
经过考察，依照以上计算步骤，可以较为准确的计算出气包的内径，以及部分内件的尺寸，可以作为气包核算的一种参考方法。

参考文献
l 《实用锅炉设计手册》
l 《化工机械工程手册》中卷

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